Véhicule connecté : architectures, normes,défis et solutions

26/10/2014
Auteurs :
Publication REE REE 2014-4 Dossier Le véhicule connecté
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2014-4:11510

Résumé

Véhicule connecté : architectures, normes,défis et solutions

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34 REE N°4/2014 LE VÉHICULE CONNECTÉDOSSIER 1 Véhicule connecté : Par Sidi-Mohammed Senouci1 , Hichem Sedjelmaci1 , Sara Mehar1 , Bernadette Villeforceix2 , Patrick Martinolli2 , Farid Benbadis3 DRIVE Labs, Université de Bourgogne1 , Orange2 , Thales communications and security3 A connected vehicle network can vastly improve our transportation system in the areas of safety, mobi- lity and environment. This technology provides connectivity among vehicles to enable crash prevention and between vehicles and the infrastructure to enable safety, mobility, and environmental benefits. This paper pro- vides an overview of connected vehicle technology, the related challenges, projects and standardization activities. ABSTRACT Figure 1 : Exemples d’applications ITS – Les systèmes de transport intelligents englobent les télématiques et différents types de communications : satellite, cellulaire, véhicule-à-véhicule, véhicule-à-infrastructure-routière – Source : ETSI ITS. REE N°4/2014 35 Véhicule connecté : architectures, normes, défis et solutions Introduction Le marché du transport a connu une énorme évolution ces dernières décen- nies ; le monde compte aujourd’hui près d’un milliard de voitures sur les routes. Cette révolution a facilité la vie des utilisateurs et a accéléré la crois- sance économique à travers le monde. Cependant, elle a engendré des incon- vénients parfois dramatiques : embou- teillages, accidents mortels, pollution de l’environnement et dépendance envers les énergies fossiles non renouvelables. Ces ennuis ont ouvert la porte à des développements mondiaux qui ont contribué à la naissance du concept de véhicule connecté (appelé aussi véhi- cule coopératif). Ce dernier permet de pénétrer dans une autre dimension de la mobilité, appelée mobilité connectée, avec l’objectif d’assister le conducteur dans sa conduite en lui offrant davan- tage de confort et de sécurité. Cette mobilité 2.0 est née de la convergence de la révolution des transports et des technologies de l’information et de la communication [1]. Le véhicule connecté est donc un véhicule faisant appel aux systèmes de transport intelligents (ITS1 ) pour amé- liorer la sécurité des déplacements, leur efficacité et leur coût [1], comme illustré sur la figure 1. Les principales applications envisagées sont des appli- cations de gestion de trafic routier, des applications de sécurité routière et des applications de mobilité et de confort. Néanmoins, certaines caractéristiques des véhicules, telles que la mobilité, la vitesse élevée, la fragmentation fré- quente du réseau de communication et la connectivité intermittente en ré- sultant, représentent un vrai frein dans l’amélioration des services de commu- nication et dans l’obtention d’une garan- tie d’une connectivité similaire à celle des réseaux non mobiles. De ce fait, 1 Intelligent Transportation System. et depuis une quinzaine d’années, plu- sieurs projets et travaux de recherches sont menés par plusieurs communau- tés scientifiques, industrielles et aca- démiques afin d’améliorer la qualité et les performances de la communication dans un réseau de véhicules connectés. De plus, les travaux de recherche ont permis aux instances de normalisation de développer des standards qui sont maintenant prêts pour le déploiement de ces technologies et services à grande échelle, que ce soit en Europe, aux États-Unis ou en Asie. Dans cet article, nous décrirons le principe de fonctionnement d’un véhi- cule connecté, les composants matériels embarqués dans ce type de véhicule ainsi que l’infrastructure de télécommu- nication utilisée. Ensuite, nous présente- rons les différentes classes d’applications qu’offre le véhicule connecté ainsi que les différents standards et projets concer- nant ce type de véhicule. Enfin, nous évoquerons les défis de recherche ac- tuels liés au développement des véhi- cules connectés et quelques solutions proposées. Principes de fonctionne- ment d’un véhicule connecté Les premiers conducteurs de véhi- cules devaient commander manuelle- ment la majorité des composants de la voiture pour pouvoir la conduire en toute sécurité. En effet, les micropro- cesseurs n’ont été introduits dans la fabrication des véhicules que depuis les années 70-80 afin d’améliorer la stabilité ou le système de freinage de la voiture. Le GPS (Global Positioning System) a d’abord été introduit dans les véhicules militaires avant son appa- rition, dans une version moins précise, dans les véhicules de particuliers, dans les années 1990. Durant la dernière décennie, d’autres composants électro- niques ont été intégrés aux véhicules, formant ainsi tout un système embar- qué. Aujourd’hui, beaucoup de tâches classiques ont été automatisées : par exemple, la régulation de vitesse est maintenant très courante, le déclenche- ment automatique des essuie-glaces est très souvent proposé, l’ouverture et fermeture des portes de voiture se font à distance. Cela est fait grâce à l’inté- gration d’un ensemble de composants électroniques qui coopèrent afin de rendre la voiture de plus en plus intel- ligente. La voiture connectée peut être vue comme un système embarqué ou une plate-forme à plusieurs couches où on trouve des systèmes de collecte, de trai- tement et d’échange/communication de données. Prenons l’exemple de l’application de diagnostic à distance : le véhicule envoie automatiquement au travers d’une inter- face de communication, via un réseau cellulaire ou de véhicule-à-véhicule, les données relatives aux organes essen- tiels de sécurité ou la mesure de l’usure des pièces. Ces informations seront trai- tées chez le constructeur qui peut, soit réparer les fautes à distance, soit infor- mer en temps réel le conducteur de la nécessité d’effectuer un entretien. La contrainte de temps peut être très importante dans ce genre de système temps-réel. En effet, chaque événement signalé doit être traité dans un délai très court, tout retard de traitement pouvant parfois avoir des implications graves. Par exemple, dans le cas de la détection d’un obstacle ou d’un piéton traversant la route via une caméra embarquée dans le véhicule, la réaction à cette détection doit être rapide pour éviter l’accident. Le véhicule connecté est un véhi- cule faisant appel à des systèmes de transport intelligents : il s’appuie sur le véhicule lui-même et son système em- barqué, sur l’infrastructure de télécom- munication et sur des plates-formes de service qui traitent les données et pro- 36 REE N°4/2014 LE VÉHICULE CONNECTÉDOSSIER 1 posent des actions ou des informations au véhicule. Nous détaillerons tout cela dans les paragraphes suivants. Le véhicule et son système embarqué Un système embarqué (ou système enfoui) est défini comme un système électronique et informatique autonome, souvent temps-réel, spécialisé dans une tâche bien précise. Dans le domaine automobile, l’électronique est apparue pour la première fois dans les véhicules à injection électronique (première voi- ture DS21 Injection électronique en 1969), puis dans les calculateurs pour l’ABS (première voiture Mercedes en 1979). Actuellement, les calculateurs dédiés sont omniprésents : freinage avec anti-blocage mais aussi intensi- fication de l’effort de freinage lors de l’urgence, alarme de changement de file, gestion de la suspension (pour mieux remplacer l’hydraulique et jouer sur l’amortissement), affichage à bord, sécurité des ouvrants, etc. On envisage maintenant du “all-by-wire”, c’est-à-dire du tout électrique y compris pour la direction qui verra elle aussi à terme dis- paraître sa composante mécanique (co- lonne de direction) ainsi que les freins. Plus généralement, un système em- barqué permet, dans le cas d’un véhicule connecté, illustré dans la figure 2, la col- lecte, le traitement et la prise de décision. Dans les ITS, la collecte d’informations comprend non seulement le recueil de données provenant du véhicule lui-même mais aussi celui de données relatives à son environnement extérieur. Cette col- lecte est effectuée par l’ensemble des capteurs embarqués dans le véhicule qui sont multiples : capteur de pluie pour la mise en marche automatique des essuie- glaces, capteur de vitesse pour le verrouil- lage automatique des portes lorsque le véhicule bouge, capteur de verglas, ca- méra embarquée pour la surveillance de trafic, radars/sonars, capteur de pollution, capteur de niveau de nuisance sonore, capteur de choc permettant de mesurer la gravité du choc que la voiture a subi, GPS et beaucoup d’autres. Les unités de contrôle récupèrent les informations ainsi collectées. Ces informations sont soit trai- tées localement par l’unité de commande de bord (OBU, On-Board-Unit) pour une prise de décision à travers la commande d’actionneurs, soit renvoyées vers une plate-forme de service distante2 selon 2 Cette plate-forme peut appartenir à un des acteurs de l’écosystème : constructeurs auto- mobiles, pouvoirs publics qui désirent savoir où roulent les véhicules et à quelle fréquence/ vitesse, assureurs qui vont pouvoir mieux dé- terminer les risques pour chaque véhicule et ainsi adapter leur prime d’assurance, conduc- teurs qui peuvent obtenir des informations de leur véhicule même lorsqu’ils ne sont pas à bord et qui peuvent pré-conditionner à dis- tance leur véhicule. la sensibilité de l’information et l’envi- ronnement concerné par ces données. Certaines informations seront stockées si besoin dans la mémoire intégrée du véhi- cule. Par exemple, dans une application qui surveille le comportement du conduc- teur, la voiture enregistre le cycle de conduite lors d’un trajet donné et en fin de voyage, ces informations seront trans- mises à un serveur dédié. On peut trouver plusieurs types d’unités de contrôle par exemple : - lage des portes et des fenêtres (Body control unit “BCU”) ; Brake Control Module “BCM”) ; Engine control unit “ECU”) ; (Human-machine interface “HMI”) ; Airbag control unit “ACU”). Tous ces composants sont reliés par un réseau embarqué qui est majo- ritairement filaire mais parfois sans fil : Bluetooth, CAN3 , LIN4 , Ethernet et bien d’autres sont utilisés. Nous résumons les types de réseaux embarqués dans le tableau 1. L’infrastructure de télécommu- nication L’infrastructure de télécommunica- tion permet d’établir des liens pour le transfert d’informations entre les véhi- cules connectés et les plates-formes de service. Pour construire la chaine de communication, plusieurs approches peuvent être utilisées, elles sont illus- trées sur la figure 3 : des réseaux de télécommunications ouverts au public. Un équipement disposant d’un accès au réseau mo- 3 Controller Area Network : bus série utilisé dans l’automobile. 4 Local Interconnect Network : bus à bas débit et de petite taille utilisé aussi dans l’automobile. Figure 2 : Exemples de composants matériels d’une voiture connectée. REE N°4/2014 37 Véhicule connecté : architectures, normes, défis et solutions bile d’un opérateur télécom est alors intégré au véhicule. Plusieurs défis techniques doivent être surmontés pour supporter les contraintes propres au contexte véhiculaire. Par exemple, les contraintes de délai et de gigue à grande vitesse pour assurer des appli- cations de sécurité routière sensibles à ce type de contraintes peuvent être fortes. Par ailleurs, il faut faire face au nombre croissant de véhicules (200 millions de véhicules en Europe, 15 millions de véhicules vendus par an), et surtout à une densité par cellule variable pouvant aller jusqu’à plusieurs milliers dans la même cellule, par exemple, dans le cas de bouchons aux abords d’une ville ou d’évènements climatiques imprévus. La couverture de service peut parfois s’en trouver non totalement assurée alors qu’elle est nécessaire pour garantir un service d’urgence en cas d’accident. Un mode de facturation propre aux réseaux véhi- culaires est nécessaire. Cette approche est celle qui semble assurer la pénétration la plus facile car l’infrastructure est déjà déployée, mais elle risque de connaître des limites à terme. Les services qui pourront uti- liser ces réseaux seront ceux dont les échanges de données pourront se satis- faire des contraintes techniques venant d’être citées. De tels services sont, par exemple, des services de confort pour le conducteur ou de distraction pour les passagers, mais ils peuvent aussi être des services pour le constructeur automobile. Il peut s’agir par exemple d’accès à Internet, d’échange de don- nées entre voiture et installation-à-do- micile (accès à ses photos, ses vidéos, etc.), de communications de voiture-à- garage pour un diagnostic distant, de la gestion d’une flotte de voitures et de communication avec un centre de contrôle et vice-versa ; - cation envisageable est fondée sur les Communications de Véhicule-à-Véhi- cule (V2V) où un réseau de véhicules est vu comme un cas particulier de ré- seaux mobiles ad hoc (MANET, Mobile Ad hoc Networks) où les contraintes d’énergie, de mémoire et de capacité de calcul sont relaxées et où le modèle de mobilité n’est pas aléatoire, mais prédictible (il s’agit d’une sous-couche du réseau routier) avec une très forte mobilité. Cette architecture peut être utilisée dans les scénarios de diffusion d’alertes (freinage d’urgence, colli- sion, ralentissement, etc.) ou pour la conduite autonome et collaborative ; des Communications de Véhicule- à-Infrastructure et Infrastructure-à- Véhicule (V2I et I2V) permettant de prendre en compte des applications qui utilisent des équipements au sol (ou RSU pour Road Side Unit, une dénomination du consortium C2C- CC). Ceux-ci démultiplient les services Nom du réseau embarqué Nature support Vitesse Usage Origine D2B Electrique ou optique 5 Mbit/s Principalement, audio numérique Automobile MOST Electrique ou optique 22,5 Mbit/s Audio, vidéo, contrôle Automobile FlexRay Electrique ou optique 10 Mbit/s Applications de contrôle de sécurité cri- tique, applications x-by-Wire Automobile Byteflight Electrique ou optique 10 Mbit/s Audio, vidéo, contrôle Automobile TTP Electrique ou optique 5 à 25 Mbit/s Audio, vidéo, contrôle Automobile Bluetooth Sans file 10 Mbit/s Audio, vidéo Téléphone mobile CAN Electrique 50 à 1000 kbit/s Audio, vidéo Automobile LIN Electrique 20 kbit/s Transmission déterministe des données pour les aspects temporels Automobile Ethernet Electrique ou optique 10 Mbit/s à 10 Gbit/s Audio, vidéo Internet Tableau 1 : Exemples de réseaux embarqués. Figure 3 : Différentes approches de communication pour un véhicule connecté. 38 REE N°4/2014 LE VÉHICULE CONNECTÉDOSSIER 1 grâce à des portails Internet com- muns présents sur les routes offrant des services identiques à la première approche en plus de services qui bénéficient des interactions avec les infrastructures routières : interaction du véhicule avec les feux de circula- tion pour une optimisation du trafic, services de proximité (LBS - Location Based Services), etc. Cependant, le problème de cette approche est le besoin de développer une nouvelle infrastructure de communication cou- vrant totalement le réseau routier ; combinant les trois types de com- munication précédents permettent ainsi d’obtenir une communication hybride très intéressante : une meil- leure couverture par complémenta- rité des technologies, de faibles délais dans les communications pair-à-pair entre voitures avec plus de garantie de connectivité, la possibilité d’avoir à la fois des communications pair-à- pair et des communications avec une plate-forme de service centralisée. En termes de capacité, celle-ci se trouve également accrue, et ce d’autant plus qu’un partage de charge entre réseaux hétérogènes est réalisé. Par ailleurs, les portées des infrastructures étant relati- vement limitées et leur extension coû- teuse, l’utilisation de véhicules comme relais permet d’augmenter celles-ci. Le recours à des communications V2V multi-sauts, en évitant de multiplier les stations de base ou les passerelles, devrait permettre de réduire les coûts globaux d’infrastructure. Les applications pour véhi- cules connectés et leurs exigences En 2010, plus d’un million de per- sonnes sont mortes sur les routes dans le monde entier et 50 millions ont été blessées, souvent handicapées à vie. L’insécurité routière est la principale cause de mortalité des jeunes [1]. De plus, avec un nombre croissant de véhi- cules, les encombrements sont de plus en plus fréquents sur nos routes ce qui coûte du temps et du carburant (le coût de la congestion a été évalué à 2 % du PIB européen). Les systèmes de trans- port intelligents ne peuvent pas à eux seuls résoudre tous ces problèmes qui ont des causes multiples. Cependant, ils peuvent contribuer à réduire les risques de façon significative comme par exemple la prévention des accidents : environ 60 % des collisions routières pourraient être évitées si le conduc- teur était averti au moins une demi- seconde avant la collision (brevet US N° 5.613.039). De nombreuses applications dont l’origine est le monde des transports (ap- plications ITS) ou le monde d’Internet, sont destinées aux véhicules connectés : desapplicationsdegestiondetraficrou- tier telles que l’aide à la conduite (aide aux dépassements de véhicules, pré- vention des sorties de voies en ligne ou en virage, etc.), la gestion de feux de circulation, la fourniture d’informations sur l’état de la route, de la météo et du trafic routier, le guidage et la planifica- tion d’itinéraires de contournement ; des applications de sécurité routière telles que l’autonomie de conduite (ou voiture autonome), l’alerte sur l’état de la route, la prévention et l’alerte des accidents, la diffusion des messages rendant compte des accidents, des travaux ou encore des messages rap- pelant les limitations de vitesse ou les distances de sécurité, la gestion des secours (e-Call pour Emergency-Call), la protection des usagers les plus vul- nérables (piétons, deux roues, …) ; applications de mobilité et confort telles que des services de point d’intérêt (POI en anglais pour Point of Interest), des services d’information dans le cadre de plates-formes mul- timodales, des services de conduite écologique, les services de gestion de flottes de véhicules, des services M2M (machine à machine), etc. Une autre famille d’applications est celle de l’amélioration de la producti- vité et de l’efficacité des compagnies de transport et la réduction de la consom- mation de carburant en utilisant les véhicules connectés : ces applications sont regroupées sous la dénomination « efficacité des transports (efficiency) » au niveau du groupe ETSI ITS. Les exemples de services ne se li- mitent pas seulement aux applications ITS et d’autres types d’application sont imaginés, notamment la convergence des usages multimédias entre le do- micile, le travail et la voiture : ils per- mettent au conducteur et aux passagers de retrouver tous leurs services en ligne habituels (Internet, mail, réservations d’hôtels/transports, contrôle à distance des équipements domestiques, etc.). L’ensemble de ces applications a des exigences, aussi bien techniques que socio-économiques et légales : Exigences techniques : ces exigences sont surtout liées aux capacités du sys- tème à faire face à un environnement fortement dynamique. On peut citer, par exemple : - le respect de limites en termes de délai de propagation et de gigue pour satisfaire les exigences des applica- tions de sécurité routière ; - la nécessité de protéger (intégrité et confidentialité) certaines données transitant entre véhicule et infras- tructure ou entre les véhicules eux- mêmes ; - la nécessité d’une communication fiable dans un contexte où une den- sité de véhicules très variable (par exemple en cas d’embouteillages aux abords d’une ville) peut résulter en une connectivité intermittente ; - le besoin de couverture et de dispo- nibilité (par exemple pour le service d’urgence en cas d’accident) ; REE N°4/2014 39 Véhicule connecté : architectures, normes, défis et solutions - l’exigence d’une cartographie en per- manence à jour et d’une précision de positionnement du véhicule. Quelques défis techniques sont détaillés dans la dernière section de ce document. Exigences stratégiques : Ces exigences sont liées à la pénétration des véhicules coopératifs dans le parc automobile ainsi qu’aux stratégies de déploiement des équipements au sol définies par les différents acteurs, gouvernements, col- lectivités locales, fournisseurs d’applica- tions etc. En effet une grosse partie des applications citées ci-dessus ne verra pas le jour sans un déploiement com- plet à la fois au niveau des véhicules et de l’infrastructure de bord de route. Exigences socio-économiques : Un élément essentiel est l’acceptation de la technologie par les conducteurs qui doivent également consentir à payer l’équipement du véhicule ainsi que les abonnements associés à l’usage du réseau et des services. En effet la mise en place des infrastructures au sol nécessitera des investissements qu’il faudra financer et l’usage des réseaux et des services devront voir leurs coûts d’usage couverts. Cet aspect est d’au- tant plus délicat que la pénétration de la technologie et des services risque de prendre plusieurs années. Exigences légales : L’apparition des véhicules connectés fait apparaître des questions juridiques nouvelles. Qui por- terait la responsabilité en cas de non respect de la vie privée du client ? Com- ment éviter le pistage généralisé des vé- hicules ? Qui est responsable dans le cas d’accident survenant lorsque des aides à la conduite sont utilisées constructeur, équipementier, assureur ? Exigences de normalisation : L’intero- pérabilité entre les différents systèmes, produits et services est essentielle au développement des véhicules connec- tés et à l’infrastructure associée. Elle passe par l’émergence de standards qui favorisent l’introduction des technolo- gies et services ITS grâce aux volumes produits et à la concurrence entre fournisseurs. Ils permettront d’obtenir des prix compétitifs favorables à une grande diffusion des nouveaux services dans la voiture connectée. Projets, activités de standar- disation et acteurs Les grands projets et efforts de stan- dardisation liés aux véhicules connectés sont très nombreux de par le monde et impliquent de très nombreux acteurs. Ces efforts concertés sont regroupés par région principalement en raison des contraintes et des règles communes auxquelles ils sont soumis : États-Unis, Europe et Japon. Un énorme travail de standardisation a été effectué : une bande de fréquences commune (5,9 GHz) a été obtenue aux États-Unis, au Japon et en Europe (depuis 2008 en Europe) et est utilisée par le télépéage des autoroutes en France, les standards pour la messagerie et les technologies sont très avancés et de nombreux tests d’interopérabilité entre matériels de sources différentes ont été effectués, comme nous allons le voir dans la suite. Projets Dans le monde entier, des projets de recherche et développement (R&D) majeurs ont été lancés pour constituer les bases d’un système de transport intelligent. Un aperçu de ces projets est donné dans le tableau 2. Aux États-Unis, les efforts de re- cherche industriels, gouvernementaux et universitaires ont créé d’importantes opportunités dans des projets phares tels que CAMP/VSC-25 [2], California PATH6 et IntelliDrive [3]. Les normes et protocoles utilisés dans ces projets sont 5 Crash Avoidance Metrics Partnership/Vehicle Safety communication. 6 California PATH Research Program: http:// www.path.berkeley.edu ceux définis par l’IEEE dans les groupes IEEE 802.11p et IEEE 1609. A la suite de ces projets, la NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration) a annoncé en février 2014 qu’elle com- mençait à prendre des mesures à tous les niveaux pour faciliter le déploiement de la technologie de communication de véhicule-à-véhicule (V2V) dans les véhi- cules légers. En Europe, l’objectif de nombreux programmes et projets européens consiste à fournir des routes plus sûres, moins congestionnées (et donc moins stressantes) et respectueuses de l’environnement. Pour atteindre cet objectif, des moyens standardisés, des communications normalisées entre les véhicules et entre les véhicules et l’in- frastructure routière ainsi que des expé- rimentations à large échelle au niveau européen sont indispensables. Parmi tous les projets, on peut citer CVIS7 [4], DRIVE-C2X [5], SCORE@F8 et CarCoDe9 dont une brève description est donnée dans le tableau 2. Le projet CarCoDe est un nouveau projet Eureka dont le but est de définir une plate-forme ouverte permettant d’exploiter les capacités TIC des nou- veaux véhicules. Cette plate-forme va fournir rapidement et automatiquement par divers canaux de communication sans fil les informations essentielles nécessaires pour plus de sécurité, un meilleur confort de conduite et un meil- leur environnement. L’indépendance des services vis-à-vis de la plate-forme est un élément clé de ce projet. Le cas d’usage visé par tous les partenaires français du projet CarCoDe concerne la gestion de la maintenance préventive et la gestion de missions de véhicules d’urgence. 7 Cooperative Vehicule Infrastructure Systems. 8 SCORE@F, Système coopératif routier expéri- mental : https://project.inria.fr/scoref/ 9 ITEA CarCoDe : “Platform for Smart Car to Car Content Delivery”. http://www.itea-carcode.org 40 REE N°4/2014 LE VÉHICULE CONNECTÉDOSSIER 1 Concernant un futur déploiement en Europe, l’ASFINAG10 a annoncé la mise en place de systèmes ITS selon un cor- ridor allant de Rotterdam à Vienne en 2015. L’Amsterdam Group, qui réunit les opérateurs d’autoroutes, les associations des grandes villes et régions d’Europe et les constructeurs automobiles est en charge de produire des lignes directrices afin de faciliter le déploiement et de définir les services qui seront proposés. Activités de standardisation Aux États-Unis, pour augmenter la sûreté et l’efficacité du trafic et réduire la pollution mais aussi conserver l’énergie 10 Opérateur des autoroutes et routes princi- pales en Autriche. fossile, le Congrès, via ISTEA11 a deman- dé, en 1991, la création du programme IVHS12 . Le Département américain des transports (DOT) a eu la responsabilité de ce programme avec la coopération de l’ITSA13 . Actuellement, les activités de recherche et d’innovation menées à l’initiative du DOT sont dirigées et gérées par RITA (Research and Inno- vative Technology Administration). Les services IHVS sont actuellement connus sous la dénomination services ITS. L’ar- chitecture nationale a intégré les com- munications sans fil afin de permettre de nombreux autres services tels que 11 Intermodal Surface Transportation Efficiency Act. 12 Intelligent Vehicle Highway Systems. 13 Intelligent Transportation Society of America. le péage automatique qui utilisait initia- lement le spectre de fréquence entre 902 Mhz et 928 Mhz. Cette bande de fréquences étant malheureusement in- suffisante pour les besoins de services ITS, la FCC (Federal Communications Commission) a alloué en 1999 une bande de fréquences de 75 Mhz dite DSRC14 dans la bande des 5,9 GHz à ces services. En 2002, l’ITSA a attiré l’atten- tion de la FCC sur la nécessité d’octroyer des autorisations et de définir les règles régissant le service et les technologies possibles pour accéder à la bande de fréquence DSRC. En particulier, il a été recommandé d’adopter un standard unique pour les couches de protocoles 14 Dedicated Short-Range Communications. Nom du projet Zone géographique Objectif Date CVIS Europe Projet centré principalement sur l’amélioration du trafic routier à travers l’usage de communications. Ce projet vise à développer, améliorer et valider l’architecture de communication spécifiée par l’ISO TC204 WG16 (CALM) basée sur IPv6 et la disponibilité d’une variété de média (3G, 802.11p, etc.). Il a divers sites pilotes dont deux dans le Lyonnais et l’autre à Versailles-Satory. 2006-2010 SafeSpot Europe Projet centré principalement sur la sécurité routière à travers l’usage de com- munications V2V. L’un des résultats importants du projet est le développement d’une cartographie locale dynamique montrant en temps réel sur une carte numérique les évolutions des mobiles. 2008-2010 CAMP/VSC-2 États-Unis Projet américain identifiant trois scénarios d’application : alerte de collision, avertissement de changement de voie, et avertissement lors de passage de piéton. 2008-2011 GeoNet Europe Projet visant à combiner la pile de protocoles IPv6 définie par l’IETF avec le routage géographique défini par le Car-to-Car Communication Consortium (C2C-CC). 2009-2011 SIM-TD Allemagne Mise en œuvre d’une expérimentation grandeur réelle (FOT : Field Operational Test) des systèmes coopératifs routiers, au niveau du Land de Hesse (Région de Francfort), prévoyant le déploiement de plusieurs centaines d’unités d’infras- tructure routière et de véhicules à l’horizon 2011. 2008-2013 SCORE@F France Pendant français du projet DRIVE-C2X pour améliorer la sécurité routière des usagers en utilisant les communications V2I, I2V et V2V. 2010-2013 DRIVE-C2X Europe C’est la suite du projet PRE-DRIVE C2X du 7eme PCRD et qui visait la prépa- ration des FOTs (Field Operational Tests) des systèmes coopératifs routières. DRIVE C2X représente donc d’une façon plus directe un FOT européen. 2010-2014 FOTSis Europe Projet européen représentant un FOT (Field Operational Tests) européen. 2010-2014 CarCoDe Europe Définit une plate-forme ouverte permettant d’exploiter les capacités TIC des nouveaux véhicules. Cette plate-forme va fournir rapidement et automatique- ment par divers canaux de communication sans fil les informations essentielles nécessaires pour plus de sécurité, un meilleur confort de conduite et un meil- leur environnement. 2012-2015 Tableau 2 : Quelques projets relatifs au véhicule connecté. REE N°4/2014 41 Véhicule connecté : architectures, normes, défis et solutions physiques et liaison de données comme celui spécifié par l’ASTM15 . L’IEEE a commencé en 2004 à développer un amendement à la spé- cification du Wi-Fi afin d’inclure les envi- ronnements véhiculaires sur la base de la spécification ASTM E2213-02 : il s’agit notamment de tenir compte de la briè- veté de la connexion entre le véhicule et la station Wi-Fi. Cet amendement est connu sous le nom de IEEE 802.11p [6] appelé aussi G5. Le groupe de travail IEEE 1609 a spécifié les autres couches de la suite de protocoles, gestion des ressources, sécurité, réseaux, fonction- nement multicanal16 . La combinaison d’IEEE 802.11p et de la suite des protocoles IEEE 1609 est nommée WAVE17 . Aux États-Unis, la SAE18 , fondée en 1905, est un acteur dans de nombreux domaines de la standardisation automo- bile qui coopère fortement avec l’IEEE 1609. Par exemple, le standard SAE J2735 est voué à être utilisé par l’IEEE 1609.3 WSMP19 . En Europe, le CEN20 , le CENELEC21 , et l’ETSI22 contribuent à la normalisation dans le domaine des véhicules connectés. Le CEN normalise actuellement la tech- nologie de communication radio DSRC à 5,9 GHz. Le comité technique ETSI ITS, organisé en cinq groupes de travail sur les véhicules coopératifs est chargé de la nor- malisation des protocoles de communica- tion et de la sécurité de celle-ci. Au niveau mondial, l’ISO a créé en 1993 le comité ISO/TC204 qui couvre 15 American Society for Testing and Materials. 16 Sous les références respectives de IEEE 1609.1, IEEE 1609.2, IEEE 1609.3 et IEEE 1609.4. 17 Wireless Access in Vehicular Environments. 18 Society of Automotive Engineers: http:// www.sae.org/servlets/index 19 WAVE Short Message Protocol. 20 Comité Européen de Normalisation. 21 Comité Européen de Normalisation Electro- technique. 22 European Telecommunications Standards Institute. les activités sur les ITS, à l’exclusion des systèmes d’information et de contrôle in- ternes au véhicule de transport, couverts par le comité ISO/TC22. C’est le comité ISO/TC204 qui a proposé en premier la possibilité de recourir à plusieurs techno- logies de communication dans l’accès. La suite des protocoles normalisée par ce groupe de travail est nommée CALM (Communications, Air-interface, Long and Medium range). CALM vise à déve- lopper une plate-forme logicielle embar- quée dans les véhicules qui assurera l’interface entre l’unité de bord (OBU) et plusieurs technologies de communi- cation 3G, 4G/LTE, G5 (802.11p), et le transfert (handover en anglais) entre ces technologies permettant ainsi une mobi- lité sans coupure. Par exemple, c’est elle qui choisira automatiquement le réseau à emprunter, Wi-Fi, LTE ou G5 en fonction de la disponibilité des réseaux et de la nature du message à transmettre. CALM définit une double pile protocolaire, l’une dérivée de la suite IPv6 pour les commu- nications structurées avec l’infrastructure et les centres décisionnels ; l’autre com- pactée, allégeant les fonctions réseau et transport, pour le respect du temps réel à l’échelon local, en V2V, et éventuelle- ment en V2I. ISO/TC204 WG 16 coopère étroite- ment avec l’ETSI TC ITS. Une task-force États-Unis, Europe et Asie est active pour veiller à l’harmonisation entre les différents standards et identifier les domaines non couverts ainsi que pour diffuser les retours d’expérience entre les différents groupes. Principaux acteurs Les principaux acteurs impliqués dans le développement des services de transports intelligents contribuent en général à la chaine de valeur de la voi- ture connectée dont une représentation simplifiée est donnée en figure 4. Les organisations gouvernemen- tales : L’intérêt majeur porté par les gouvernements envers les véhicules connectés réside dans leur capacité à apporter plus de sécurité sur les routes et d’efficacité dans les transports. Les constructeurs automobiles : Les constructeurs automobiles les plus im- pliqués sont VW/Audi, Daimler/Benz, Renault, Fiat, Volvo, BMW, Ford, Opel et bien d’autres. L’objectif de ces construc- teurs est d’augmenter leur part de mar- ché en termes de voitures plus sûres et plus confortables. Les équipementiers et fournisseurs de matériels : Ils sont diversifiés et comportent les fournisseurs de maté- riel électronique, informatique, grandes et plus petites sociétés. Nous pouvons citer AT4 Wireless, Hitachi, Continen- tal, Efkon, Teltronic, Bosch, Siemens, Thales, Navteq. Ces fournisseurs pro- posent actuellement quelques équipe- ments embarqués dans le véhicule ou sur les routes qui sont utilisés dans le cadre de projets de recherche. Les industriels du logiciel/fournis- seur de services : Beaucoup d’entre- prises investissent dans le domaine des systèmes de transport intelligents, en particulier dans la partie guidage et information temps réel. Des sociétés comme Dash, Google, TomTom font plus que cartographier les routes, ils permettent aussi aux conducteurs (ou passagers) de recevoir des informations en temps réel sur l’état du trafic routier, de se connecter à Internet, de connaître Figure 4 : Chaine de valeur simplifiée pour le marché de la voiture connectée. 42 REE N°4/2014 LE VÉHICULE CONNECTÉDOSSIER 1 les magasins (restaurants, librairie, par- king, cinémas, etc.) à proximité et sur leur chemin. Les opérateurs télécoms/distributeurs de services : Les opérateurs télécom, forts de leurs infrastructures cellulaires déjà largement déployées, accordent une attention particulière au développe- ment des véhicules connectés. Orange, SFR, Telefonica, Telecom Italia et AT&T participent tous au développement de la technologie via des partenariats avec des industriels, des universités et leurs propres équipes de recherche et déve- loppement. Certains opérateurs télécom tels qu’Orange et Telecom Italia, pré- sents au sein du groupe de standardisa- tion ETSI TC ITS, font la promotion des réseaux cellulaires pour supporter les futurs services ITS. Ils veillent à ce que les standards des couches applicatives soient indépendants des technologies utilisées et puissent s’appuyer sur toutes les technologies que propose la pile ETSI ITS. Il faut également citer ERTICO ITS Europe23 , organisation fondée à l’ini- tiative de la Commission européenne, et des ministères des transports et de l’industrie européenne. Il réunit près de 100 partenaires : pouvoirs publics, centres de recherche, industriels ac- teurs des ITS. Son objectif principal est d’accélérer le développement et le déploiement des ITS en Europe et au- delà. eSafety24 est une autre initiative conjointe de la Commission européenne et de l’industrie qui vise à accélérer le développement, le déploiement et l’uti- lisation des systèmes de sécurité pour l’automobile basée sur les technologies de l’information et de la communication (TIC). Enfin le C2C-CC25 est une initiative traitant de la normalisation et de l’indus- 23 http://www.ertico.com 24 EuropeanSafety:http://ec.europa.eu/transport/ road_safety/specialist/knowledge/esave/ 25 Car-to-Car Communication Consortium: http:/www.car-2-car.org trialisation des systèmes coopératifs routiers. Elle est pilotée par des construc- teurs automobiles en majorité allemands avec la participation d’équipementiers et de laboratoires de recherche. Quelques défis techniques liés au véhicule connecté Comme on l’a vu dans les sections précédentes, l’ensemble des applica- tions pour véhicule connecté est soumis à des contraintes techniques difficiles à satisfaire dans un environnement où le lien radio n’est pas toujours fiable, et où la forte mobilité des véhicules induit une qualité de service non maî- trisée. Quelques défis scientifiques et techniques restent donc à relever pour assurer une meilleure qualité de service. Complémentarité entre réseau cellulaire et réseau de véhicule- à-véhicule L’accès à Internet pour les conduc- teurs/passagers n’est pas le premier service nécessitant une connectivité dans les transports, loin s’en faut. Nous avons vu, précédemment, que les appli- cations pour véhicule connecté ont des exigences variées et parfois fortes en termes de débit, de QoS et de sécurité que les différentes technologies d’accès radio prises séparément ne permettent pas de satisfaire. Un des premiers leviers pour faire sauter ce verrou est donc l’utilisation de plusieurs réseaux d’accès via un équipement embarqué multi-accès. En effet, d’un côté, les opé- rateurs télécom disposent d’une infras- tructure réseau, avec une couverture nationale presque totale, mais ne sont pas ou mal intégrés à l’environnement « véhicule ». De l’autre, les constructeurs automobiles, qui assurent l’intégration des capteurs, se sont organisés et ont constitué des groupes de standardisa- tion pour normaliser des systèmes de communication de véhicule-à-véhicule et de véhicule-à-infrastructure routière. Une intégration des deux technologies complémentaires est donc essentielle, afin de proposer des services économi- quement viables qui vont faire pénétrer ces technologies dans la voiture. Au sein de l’opérateur de télécommunications Orange, les travaux de R&D menées par Orange Labs mettent en œuvre la coopération des réseaux cellulaires et des réseaux véhicule-à-véhicule pour définir une architecture innovante et agile, capable de supporter tous les types de services ITS. De nombreuses études effectuées chez Orange notam- ment dans le cadre de projets collabo- ratifs (SCORE@F et FOTsis26 ) montrent que la complémentarité de réseaux hétérogènes combinée à la gestion de mobilité IP permet de développer des architectures ITS extrêmement perfor- mantes en termes de débit, de délai et de continuité de service. Cyber sécurité Veiller à la protection et donc l’inté- grité et la confidentialité de certaines données transitant entre véhicule et infrastructure ou entre véhicules est indispensable. Pour le véhicule connec- té, la cible de sécurité comprend au moins l’équipement embarqué et les communications. Au niveau communi- cation, nous pouvons citer les attaques potentielles suivantes : écoute passive, saturation par bourrage de trafic, re-jeu sélectif, envoi de fausses informations, etc. Quelques mécanismes de crypto- graphie et les systèmes de détection d’intrusion ont été donc proposés dans [7] et [8] afin d’assurer un niveau de sécurité élevé. La cryptographie est en mesure d’assurer l’authentification et la confidentialité des véhicules (ano- nymat) et de l’information. Par ailleurs, pour la détection des attaques avec une 26 Field Operational Tests on Safe, Intelligent and Sustainable Road Operation: http:// www.fotsis.com REE N°4/2014 43 Véhicule connecté : architectures, normes, défis et solutions grande précision, une des solutions les plus fiables est l’utilisation des systèmes de détection d’intrusion. D’autres types de mécanismes de sécurité logique sont utilisables pour les communications tels que l’étalement de spectre ou la diver- sité de fréquence contre le brouillage, le filtrage d’adresses physiques ou MAC, l’exploitation des facilités IPSEC, etc. Les solutions de sécurité associées à ces communications véhiculaires cri- tiques doivent être validées non seu- lement par simulation, mais aussi sur le terrain, dans une configuration de démonstration. Contraintes de qualité de service Le principal défi dans la concep- tion des protocoles de communication dans les réseaux de véhicules coopé- ratifs est de fournir de bonnes perfor- mances réseau sous les contraintes de la vitesse des véhicules, la connec- tivité intermittente et les changements rapides de topologie. Ces contraintes fortes rendent obligatoire l’organisation du réseau si l’on veut fournir des ser- vices évolués à l’utilisateur. En effet, l’organisation en petits groupes de véhi- cules (clusters) permet d’optimiser les échanges de données pour les appli- cations qui doivent fonctionner sur ce réseau. Ces clusters sont dynamiques et interviennent souvent dans la mise en place d’ossatures virtuelles (virtual backbones, en anglais). L’organisation de ce réseau peut être une auto-orga- nisation décentralisée [9], dans laquelle les véhicules s’organisent entre eux pour décider de la topologie des clusters, ou centralisée, dans laquelle une entité extérieure au réseau de véhicules a pour rôle d’organiser les clusters [10]. Il y a également un nombre important de protocoles de routage et de dissémina- tion de données qui ont été proposés visant à offrir un taux de livraison impor- tant et un délai de communication de bout-en-bout réduit ; on peut citer par exemple les protocoles GyTAR27 [11], DHVN28 [12], MHVB29 [13]. Au niveau de la couche MAC30 , il a été observé que le mécanisme CSMA/CA31 utilisé dans beaucoup de systèmes radio, ne garan- tissait pas l’accès au canal avant une certaine durée aléatoire due au temps de backoff32 . Par conséquent, un retard important peut être généré et les perfor- mances du mécanisme sont dégradées. Cependant, dans [14] par exemple, les auteurs proposent des solutions visant à prédire l’accès au canal et donc à maîtri- ser cette durée aléatoire. A savoir aussi qu’en raison de la nature sans fil des réseaux de véhicules, une route peut rompre brutalement, influençant ainsi les performances de l’application. Par conséquent, la conception de solutions inter-couches peut être bénéfique dans ce type de réseaux [15] [16]. Conclusion Les véhicules connectés attirent considérablement l’attention des com- munautés scientifique et industrielle. En effet, les réseaux de véhicules connectés ont pour but d’offrir des services variés allant de l’information du conducteur à des services liés à la sécurité routière. Néanmoins, fournir ces services dans ce type de réseau n’est pas une tâche facile à cause de différentes contraintes techniques, socio-économiques ou autres. Dans ce document, une inves- tigation des différentes applications et services possibles pour véhicules connectés, les défis associés ainsi que les projets et programmes menés afin 27 Greedy Traffic Aware Routing protocol. 28 Dissemination protocol for Heterogeneous cooperative Vehicular Networks. 29 Multi-Hop Vehicular Broadcast. 30 Medium Access Control. 31 Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance. 32 Temps au bout duquel un nouveau test de disponibilité du canal de transmission est effectué après avoir été initialement trouvé occupé. de les résoudre ont été présentés. Nous pensons que la complémentarité entre les deux technologies G5 (802.11p) et radio cellulaire (4G/LTE) ainsi que la sûreté de fonctionnement et la sécurité des communications permettront un développement rapide de ces véhicules connectés coopératifs. Ce qui permet- tra dans un futur très proche d’atteindre l’objectif des pouvoirs publics et des conducteurs de « zéro-accident, zéro émission, low-cost, always-on ». Références [1] P. Oliva, « Véhicules connectés et systèmes de transport intelligents », Cahiers du Challenge Bibendum, pp. 11-37, 2011. [2] CAMP, “Vehicle Safety Communi- cations - Applications, Second Annu- al Report”, 2008. [3] IntelliDrive, “IntelliDrive Technologies to support HOT Lane Operations: A white paper report”, Texas Trans- portation Institute, 2009. [4] D. Cvis, “Use cases and system requi- rements, IST CVIS Project”, 2006. [5] D. 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Gourhant, “LTE4V2X: LTE for a centralized VANET organization”, Houston Texas: IEEE Globecom’2011. [11] M. Jerbi, S. Senouci, T. Rasheed & Y. Ghamri-Doudane, “Towards effi- cient geographic routing in urban vehicular networks”, vol. 58, pp. 5048-5059, 2009. [12] S. Mehar, G. Rémy & S. Senouci, “Dissemination protocol for hetero- geneous cooperative vehicular net- work”, chez IEEE Wreless Days 2012, Dublin Ireland, 2012. [13] M. Mariyasagayam, T. Osafune & M. Lenardi, “Enhanced multi-hop vehicular broadcast (MHVP) for active security applications”, chez Proceedings of the 7th Inter-national Conference on ITS Tele-communications (ITST 2007), Sophia-Antipolis France, 2007. [14] K. Bilstrup, E. Uhlemann, E. Stroom & U. Bilstrup, “On the ability of the 802.11p MAC method and STDMA to support real-time vehicle-to vehicle communication”, Journal on Wireless Communications and Networking, vol. 2009, pp. 1-13, 2009. [15] A. Al Hanbali, E. Altman & P. 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Il a obtenu son diplôme de doctorat en systèmes de télécom- munication à l’Université de Tlemcen, Algérie en 2013. Ses recherches portent sur les réseaux mobiles et sans fil, les systèmes de transport intelligents et la sécurité des réseaux. Il a publié ses travaux dans les grandes conférences et des revues de renom. Il est membre de l’IEEE. Sara Mehar a obtenu son diplôme d’ingénieur de l’École nationale supérieure d’informatique (ESI), Algérie, en 2009 et son diplôme de master en réseau de l’Université de Pierre et Marie Curie (UPMC), en France, en 2011. Elle travaille actuellement sur les réseaux véhiculaires en tant que doctorante à l’Université de Bourgogne (UB). Ses intérêts de recherche portent sur les protocoles de commu- nication pour les réseaux mobiles, l’économie d’énergie et l’évaluation de perfor- mances des réseaux. Bernadette Villeforceix a reçu le titre de docteur en physique du département communications microondes et optiques de l’Université de Limoges en 1981. Architecte senior dans les réseaux de mobilité IP pour le domaine des transports, elle était en charge des études techniques pour la définition et le développement d’une solution d’accès internet actuellement déployée dans les TGV. Elle est en charge des études d’architecture pour la coopération des réseaux cellulaires et véhiculaires et la gestion des communications V2V et V2I dans les systèmes coopératifs.. Patrick Martinoli, est expert véhicules, communication et nouvelles mobilités au sein d’Orange. Il a imaginé durant plus de 6 ans des systèmes autour de la voiture connectée, et des applications possibles pour améliorer la sécurité (dialo- gues véhicule à infrastructure) et la gestion des flottes. Farid Benbadis occupe actuellement un poste d’ingénieur études amont à Thales Communications and Security, France. Avant de rejoindre Thales Commu- nications and Security, il a obtenu, en 2007, son doctorat en Informatique. Il a récemment développé des travaux sur les topologies spontanées, les protocoles de routage ad hoc, et des réseaux maillés sans fil. Actuellement, F. Benbadis travaille sur les mécanismes de distribution de contenu dans les environnements mobiles et véhiculaires.